Ist es möglich, dass ein Objekt Masse, aber kein Volumen hat?

Ihre Frage sagt das aus

Wir glauben zu wissen, dass Materie alles ist, was Masse hat und Raum einnimmt

aber eigentlich wissen wir es besser. Wir haben guten Grund zu der Annahme, dass Elementarteilchen punktförmig sind. Mit anderen Worten, sie haben keine interne Struktur, Größe oder Volumen. Und sie haben tatsächlich Masse. Wir haben ein theoretisches Verständnis (in der lokalen Quantenfeldtheorie) und experimentelle Beweise (aus Collider-Experimenten) für Objekte mit Masse, aber ohne Volumen.

Dies ist jedoch nicht das letzte Wort, denn es ist durchaus möglich (und manche sagen sehr wahrscheinlich), dass Teilchen, die in unseren Experimenten punktförmig erscheinen, eine Unterstruktur haben, einschließlich einer charakteristischen Größe, die sich in sehr hochenergetischen Experimenten zeigen würde . Ich glaube, das ist in der Stringtheorie der Fall.

Zusammenfassend haben wir also keine Beweise dafür, dass Teilchen nicht punktförmig sind, und ein solides theoretisches Verständnis von punktförmigen Teilchen, aber es gibt eine Motivation, die interne Struktur zu berücksichtigen, die in sehr hochenergetischen Experimenten aufgedeckt werden könnte.

Im Standardmodell der Teilchenphysik , das zu den bisherigen Daten passt, sind Elementarteilchen, die in die Lagrangedichte eintreten, Punktteilchen mit Masse.

Das Elektron zum Beispiel ist eines der Elementarteilchen, und es hat eine Masse und der Fit gibt ihm ein Volumen von 0.

Es gibt Experimente, die versuchen, Grenzen zu setzen, wie klein das Volumen des Elektrons ist. Die Tatsache, dass das Standardmodell zu einer großen Anzahl von Messungen in Elementarteilchen mit Nullpunktdimensionen für die Elementarteilchen passt, kann als Messung angesehen werden.

Man sollte jedoch bedenken, dass das Elektron eine quantenmechanische Einheit ist und quantenmechanischen Gleichungen folgt. Wenn man versucht, die Größe zu bestimmen, folgt die Sonde, die die Größe überprüft, der Heisenbergschen Unschärferelation , was bedeutet, dass man Sonden mit sehr hohem Impuls benötigt, um sehr kleine Grenzen zu erhalten.

Stringtheorien gehen davon aus, dass Elementarteilchen Schwingungen auf eindimensionalen Strings sind, deren Länge kleiner als die Planck-Länge ist . Trotzdem hat eine Linie kein Volumen, selbst wenn dies so ist.

Ich werde Ihre Frage etwas anders ansprechen, da es in vielerlei Hinsicht problematisch ist, über Volumen und Partikel zu sprechen.

Lassen Sie uns Ihre Frage formulieren: "Kann es zwei Teilchen mit Masse am selben Ort geben?" Die Antwort ist ja. Es gibt zwei Arten von Teilchen: Fermionen und Bosonen. Während sich Fermionen (Elektronen, Protonen) abstoßen (nicht nur wegen der Ladung!), können Bosonen beliebig dicht gepackt werden. Beispielsweise sind Photonen Bosonen, aber auch Fermionen können zu Bosonen gekoppelt werden, wie das Heliumatom. Sie sehen, dies unterscheidet sich ein wenig von Ihrer Frage, da Helium eindeutig ein Volumen ist, Photonen jedoch nicht.

Basierend auf den neuesten Durchbrüchen in der Teilchenphysik ist die Antwort ein klares NEIN – es ist nicht möglich, dass ein massives Teilchen kein Volumen hat. Tatsächlich ist es NICHT möglich, dass ein Teilchen, ob massiv oder masselos, ein Volumen von Null hat. ALLE Teilchen haben ein bestimmtes Volumen, egal wie klein es ist, es kann nicht beobachtet werden.

Im Gegensatz dazu ist die Masse eine intrinsische Eigenschaft eines Teilchens, die sich aus dem Higgs-Mechanismus ergibt. Teilchen, die nicht wechselwirken, sind masselos, solche, die es tun, weisen Masse auf.

Da die Forschung jedoch weiter wächst und unsere Wissensbasis aktualisiert wird, kann sich die Antwort ändern oder ungewiss sein, ähnlich wie beim Unsicherheitsprinzip. =)

Es ist nicht möglich, dass ein Objekt Masse, aber kein Volumen hat, denn dazu müsste ein unendliches Gravitationsfeld um das Objekt herum vorhanden sein, und dies kommt in der natürlichen Welt nicht vor (ich werde auf den Begriff kommen "Punktteilchen" in der Quantenphysik gleich). Wenn Masse in sehr kleinen Volumina konzentriert wird, entsteht ein Schwarzes Loch. Das Herz eines Schwarzen Lochs ist eine Region, in der unser Verständnis begrenzt ist, aber in jedem Fall hat ein Schwarzes Loch eine Oberfläche ungleich Null, die Fläche seines Horizonts.

Die Quantenphysik basiert auf einer Reihe physikalischer und mathematischer Ideen, die als Quantenfeldtheorie bezeichnet werden. Die Quantenfeldtheorie selbst kann aus einer noch grundlegenderen Reihe von Ideen hervorgehen, die als M-Theorie oder String-Theorie bezeichnet werden. Sowohl in der Quantenfeldtheorie als auch in der Stringtheorie ist der Stoff, aus dem die natürliche Welt besteht, ziemlich subtil, und es gibt keinen einfachen, direkten Sinn dafür, dass man sagen könnte, dass das Universum punktförmige Teilchen enthält. Vielmehr wird der Begriff "Partikel" in einem eher technischen Sinne verwendet, um auf einen Teil der vollständigen Beschreibung Bezug zu nehmen. In der vollständigen Beschreibung tritt niemals eine Konzentration einer endlichen Masse mit unendlicher Dichte auf. Dies liegt teilweise daran, dass sich ein Schwarzes Loch bilden würde, aber häufiger liegt es daran, dass sobald man eine Situation herstellt, in der die Masse in einem kleinen Volumen konzentriert ist, man hat auch große Mengen an Impuls (weil kleine Volumina kleine Wellenlängen erfordern) und daher große Mengen an kinetischer Energie. Diese kinetische Energie ermöglicht es wiederum, Teilchen-Antiteilchen-Paare zu erzeugen. Das passiert also. Ein klassisches Beispiel dafür sind alle Experimente der Hochenergiephysik mit Teilchenbeschleunigern. Dort haben Sie einen Versuch, Energie (und damit auch Masse) in einem kleinen Volumen an einem Stoßpunkt zu fokussieren, und was passiert, ist keine große Dichte, sondern eine große Menge an Paarbildung. Ein klassisches Beispiel dafür sind alle Experimente der Hochenergiephysik mit Teilchenbeschleunigern. Dort haben Sie einen Versuch, Energie (und damit auch Masse) in einem kleinen Volumen an einem Stoßpunkt zu fokussieren, und was passiert, ist keine große Dichte, sondern eine große Menge an Paarbildung. Ein klassisches Beispiel dafür sind alle Experimente der Hochenergiephysik mit Teilchenbeschleunigern. Dort haben Sie einen Versuch, Energie (und damit auch Masse) in einem kleinen Volumen an einem Stoßpunkt zu fokussieren, und was passiert, ist keine große Dichte, sondern eine große Menge an Paarbildung.

Wenn sich ein Grundteilchen wie ein Elektron im ansonsten leeren Raum bewegt, gibt es keine Massenkonzentration in einem unendlich kleinen Volumen, weil die Wellenfunktion des Elektrons gespreizt ist. Schon der Begriff „Elektron“ oder „Teilchen“ bezieht sich in der Quantenphysik auf dieses Ding mit einer ausgebreiteten Wellenfunktion.

Ist es möglich, dass ein Objekt Masse, aber kein Volumen hat?

NEIN.

Kann es im Universum ein Teilchen/Objekt geben, das Masse, aber kein Volumen hat?

NEIN.

Ist es möglich, dass Masse ohne Volumen und Dichte existieren kann?

NEIN.

Wir glauben zu wissen, dass Materie alles ist, was Masse hat und Raum einnimmt, aber ist es möglich, dass diese Aussage falsch ist?

Ja.

Beginnen wir mit einem E=hc/λ- Photon . Es hat eine Energie ungleich Null und eine Wellenlänge ungleich Null. Es ist also eine Welle, kein Punktteilchen. Schauen Sie sich jetzt Windwellen auf Wikipedia an . Sehen Sie sich das GIF mit den roten Punkten an und schneiden Sie es zu, um die Oberfläche zu entfernen und eine Welle im Raum zu emulieren:

_{GNUFDL-Bild von Kraaiennest, siehe Wikipedia Commons}

Denken Sie jetzt an die Paarproduktion , bei der wir Materie aus Licht erzeugen. Dann erinnern Sie sich an die Elektronenbeugung und die Wellennatur der Materie. Und was am wichtigsten ist, denken Sie daran, dass es sich um eine Quantenfeldtheorie handelt, nicht um eine Quantenpunkt-Teilchen-Theorie. Das Elektron ist kein Fleck, der ein Feld hat. Stattdessen ist das Feld, was es ist . Und dieses Feld hat weder eine Kante noch eine Fläche. Von der Mitte weg wird es schwächer, aber es hört nie auf. Das Elektron ist es einfach nichtein Punktteilchen, ungeachtet dessen, was manche Leute sagen. Auch kein Proton und kein Wasserstoffatom. Aber ein Wasserstoffatom ist nur ein Elektron und ein Proton, und sie sind "nur ihre Felder". Das Gravitationsfeld der Wasserstoffatome ist also nichts anderes als das Wasserstoffatom. Es ist ein Teil dessen, was es ist. Dasselbe gilt für einen Stern und für ein Schwarzes Loch.

Es gibt also keine volumenlosen Massen.